1957年10月4日，前蘇聯第一顆人造衛星上天，拉開了人類航太時代的序幕。前蘇聯宇航員、大名鼎鼎的加加林，於1961年4月12日，乘坐前蘇聯“東方號”飛船，環繞地球飛行了一圈，歷時近兩個小時，成為了第一位進入太空的人。
(1)月球
月球是距離地球最近的天體(約38萬公里)，是人類進行太空探險的第一站。前蘇聯1959年發射的月球2號探測器在月球著陸，這是人類的航天器第一次到達地球以外的天體。同年10月，月球3號飛越月球，發回第一批月球背面的照片。1970年發射的月球16號著陸于豐富海，把100克月球土壤送回了地球。
美國在20世紀60年代開始的雄心勃勃的“阿波羅”計畫的目的就是將人類送上月球進行實地考察。在此之前的1961年到1967年間，9個“徘徊者”、7個“勘測者”探測器和5個月球軌道器先後對月球進行了考察。它們拍攝了月球的照片，並分析了月球的土壤，為登上月球做好了準備。隨後美國便使用“土星”5號運載火箭先後向月球發射了17艘“阿波羅”飛船。其中“阿波羅”1-3號是試驗飛船，4-6號是無人飛船，7號飛船載人繞地球飛行，8-10號載人繞月飛行，11號至17號是載人登月飛行。
1969年7月16日發射的“阿波羅”11號使人類首次登上了月球。執行該次任務的是阿姆斯壯、阿爾德林和柯林斯。飛船抵達月球軌道後，柯林斯駕船繞月飛行，另兩名宇航局駕駛登月艙於7月20日降落在月球表面的靜海。阿姆斯壯成為第一個登上月球的人。宇航員在月球表面進行了實地的科學考察，並把一塊金屬紀念牌和美國國旗插上了月球。此後又有5次成功的登月飛行，宇航員在月球上停留的時間總共約300小時。
此後對月球的考察幾乎停滯，直到1994年，美國又發射了“克萊門汀”號無人駕駛飛船，對月球進行了新的地貌測繪，其目的是為在不久的將來建立月球基地和月基天文臺作準備。1998年1月6日發射升空的“月球勘探者”攜帶有中子光譜儀探測氫原子。它發現在月球兩極的盆地底部存在水。
(2)金星和水星
金星的半徑、品質、密度等與地球接近，是地球的姊妹行星。人們對它的興趣很大，然而，地面觀測所得的資料比較貧乏，對金星的研究充滿了未知數。航天器可以使人們瞭解它更多的資訊。雖然最初的幾次探測器發射都失敗了，但1962年美國發射的水手2號從距金星35000千米處飛過，成功地實現了航天器首次飛越行星，同時它發現金星表面溫度高達400多度。1969年至1981年，前蘇聯的金星5號至14號探測器先後在金星表面著陸成功，執行了多項科學考察任務。美國1978年5月20日發射的先驅者-金星1號經過長距離飛行，于同年12月4日到達金星並圍繞它飛行， 它用雷達探測了金星地形。先驅者-金星2號到達金星後向金星大氣釋放了4個探測器，探測器在向金星表面墜落的過程中，獲得了金星大氣、雲層、磁場等各方面的資料。1989年美國發射的“麥哲倫號”探測器又運用綜合孔徑雷達對金星表面進行了探測。這些探測使我們瞭解到金星的磁場很弱，表面氣壓是地球海面氣壓的90倍。金星12號還探測到了閃電。
美國發射的“水手10號”飛船在考察了金星之後，曾3次飛臨水星。是它發現了水星的磁場和磁層，並探測出水星大氣的主要成分是氦。飛船上的兩個攝像機拍攝了多幅圖像，揭示出水星地形是由大量的隕石坑和盆地組成的。
(3) 火星
火星很像地球，有堅硬的表面和四季的交替。同時它還擁有隨四季變化的極冠。在望遠鏡觀測時代，人們還曾有認為火星上有人工的運河。人類對火星的興趣一直是非常濃厚的，因此到現在已經20多艘飛船執行了探測火星的任務了。1962年前蘇聯發射了“火星1號” 、“宇宙21號”，美國發射了“水手3號”，但均遭到了失敗。1964年1月28日發射的“水手4號”於1965年7月14日在距離火星的一萬公里的高空成功掠過，獲得了第一批火星的照片。1974年，前蘇聯發射的“火星5號”太空船首次拍攝了火星的彩色照片。隨後兩國又相繼發射了多個繞火星飛行的軌道器，更加詳細地瞭解了這顆行星的情況。
1976年，美國的海盜1號和海盜2號登陸器分別在火星上降落，並在降落的過程中，測量了大氣溫度的分佈情況、火星大氣壓的情況。火星上有乾涸的河床，有流水衝擊的特徵，這表明在過去有過大量的水。海盜號飛船的分析結果表明火星大氣和表層物質中沒有有機分子存在。攝像機監視結果也表明火星上沒有生命活動的跡象。因此我們也許可以下結論說，火星表面現在可能沒有生命，如果更嚴格的說，是沒有與地球上類似的生命。人們不僅對火星感興趣，也對火星的兩個衛星感興趣。在1988年，7月7日和7月12日，前蘇聯發射了火衛飛船1號和2號繞火衛一飛行並著陸。
到最近幾年，隨著科技的飛速發展，人們可望在下世紀初直接登上火星進行實地考察，徹底弄清火星生命問題。因為它是太陽系中最有可能存在生命的星球。在人類踏上火星之前，將進行一系列的準備。
1993年美國“火星觀察者”探測器在進入環繞火星的軌道之後，與地球失去聯繫，導致計畫失敗。1996年12月，美國又發射了“火星探路者”探測器，經過7個月的星際飛行，在火星的阿瑞斯平原著陸。火星探路者攜帶了一個六輪小車，可以在火星的表面漫遊，因而叫做火星漫遊者，價值2500萬美元。它分析了火星岩石和土壤。照片證實了海盜號的結論，火星上曾發生過大洪水。
1996年11月美國發射了“火星全球勘測者”，在繞火星的軌道上研究火星表面、大氣和磁場的情況。它還向地球發射無線電波，經過火星大氣後到達地球，由此瞭解火星大氣的溫度、引力和化學組成。 1999年1月3日，“火星極地著陸者”發射成功。然而，在飛行了11個月並登陸到火星上以後，就與地面失去了聯繫，宣告了這次航太活動的失敗。此後發射的火星氣候觀測器也遭失敗。2001年，美國又發射了“火星奧德賽”探測器，現已成功抵達火星並成功進入環火星軌道。
歐洲空間局計畫於2003年發射“火星快車”探測器考察火星，這標誌著歐洲空間局在行星探測方面跨入了新紀元。它將由軌道器和著陸器組成。軌道器上有一個著陸器通信包用於支援國際上在2003年至2007年間開展的火星探測活動。
(4)帶外行星探測
美國的“先驅者”10號於1973年12月4日首次掠過木星，並傳回了木星和木衛的照片。它最後在1983年越過海王星軌道後成為飛出太陽系的第一個人造天體。接著“先驅者11號”、“旅行者1號”、“旅行者2號”也相繼飛越木星和木衛。
“先驅者”10號、11號各自攜帶了一塊相同的鍍金鋁板，上面刻有人類男女的裸像，以及太陽與九大行星位置的示意圖，還指明了它來自太陽系的第三顆行星。“旅行者”1號和2號探測器，則各自帶有一套“地球之聲”的光碟，唱片上有照片、60種語言的問候語、35種各類地球上的聲音和音樂。包括了中國長城和中國人家宴的照片，粵語、廈門話和客家話的問候，和中國古曲“流水”。它們作為地球的名片希望有朝一日能被“外星人”收到。
從旅行者號拍攝的木星黑夜半球的圖像上可以看到木星上有極光。有趣的是，木衛一上有一座正在噴發的火山，噴發的高度達到30公里，噴發速度是每秒幾百米到1公里。“旅行者”飛船還發現了土星有射電輻射，頻率在3千赫到1.2兆赫之間。1986年1月，“旅行者2號”飛船又測出天王星的自轉軸和磁軸有很大的交角。飛船還拍攝了天王星衛星的照片，隨後它又拜訪了海王星，併發回了照片。
“伽利略”號的任務是觀測木星系統，它觀測了木星的大紅斑，還向木星雲層釋放了一個探測器。這個探測器依靠降落傘進入木星大氣，在它被巨大的木星大氣壓力摧毀前向地球傳回了許多寶貴的資料。“伽利略”號對木衛二和木衛四的觀測的結果還顯示這兩個木星衛星的表面之下可能有液態水海洋。有液態水存在就意味著可能有生命生存，這無疑是一個令人振奮的消息。
美國於1997年10月15日發射了“凱西尼”號飛船，它是第一艘使用核動力電池的飛船。“凱西尼”號的主要任務是探測土星系統，並將向土星最大、最神秘的衛星——土衛六釋放出一個名為“惠更斯”的探測器。土衛六是一個被濃厚的大氣包裹著的星球，其環境與早期的地球有些類似，使用一般觀測手段無法看清它的表面。“凱西尼”號將於2004年七月抵達土星系。此外美國宇航局還計畫進行更多的行星探測計畫，以便更多地瞭解我們生存的太陽系。其中包括向木衛二發射一個探測器，用以探測木衛二隱藏在冰層下的巨大液態水海洋。如果技術成熟，有可能向木衛二表面釋放一個水下探測器，找尋可能存在的地外生命。
(5)彗星和小行星
太空船不僅僅用於對太陽系內的大行星及衛星進行近距離觀察。1985-1986年哈雷彗星回歸過程當中，有5艘飛船對它進行了近距離觀測，有許多令人驚奇的發現。例如，哈雷彗星的核並非人們想像的球狀，而是橢球狀，氣體和塵埃從核的表面幾個活動區域噴出。
歐洲空間局的計畫中，已經或即將開始對7個短週期彗星進行空間探測。它們是“深空1號”（DS1）計畫、“星塵”計畫、“等高線”計畫、“羅塞塔”計畫、“深空4號”（DS4）計畫。其中DS1和DS4計畫是與美國國家宇航局合作的。
於1998年10月發射的“深空1號”飛船，將飛越小行星3352號McAuliffe、火星、以及威爾遜-哈林頓彗星。飛船與彗星將於2000年6月相遇。DS1將以約15公里/秒的速度距彗核約500公里處飛過，對彗發、彗核進行觀測。它首次採用了離子發動機。飛船於2010年5月將樣品送回地球。
“星塵”在1999年2月發射，飛向懷爾德－2彗星，並將首次帶回珍貴的彗星樣品。
“羅塞塔”將於2003年發射，對Wirtanen彗星及其環境進行長達近兩年的仔細研究。9年之後，飛船與彗星相遇，總重20公斤的儀器將降落在彗星表面。這些儀器將採掘彗星表面和近表面樣品進行研究，並用聲波法探測彗星內部結構，研究周圍等離子體與太陽風相互作用等。
“深空4號”飛船將於2003年4月發射，於2005年12月進入環繞Tempel 1彗星的軌道，並於2006年4月將著陸器送上彗星表面作實驗。最後，將彗星表面下不同深度的物質分裝在3個不受外界影響的密封金屬罐內，由著陸器的上半部將樣品送回飛船。飛船於2010年5月將樣品送回地球。
(6) 空間站科學研究
空間站是人類在太空進行各項科學研究活動的重要場所。1971年，前蘇聯發射了第一座空間站“禮炮”1號，由“聯盟”號飛船負責運送宇航員和物資。1986年8月，最後一座“禮炮”7號停止載人飛行。1973年5月14日，美國發射了空間站“天空實驗室”，由“阿波羅”號飛船運送宇航員和物資。1974年天空實驗室封閉停用，並於1979年墜毀。
1986年2月20日，前蘇聯發射了“和平”號空間站。它全長超過13米，重21噸，設計壽命10年，由工作艙、過渡艙、非密封艙三個部分組成，有6個對介面，可與各類飛船、太空梭對接，並與之組成一個龐大的軌道聯合體。自“和平”號上天以來，宇航員們在它上面進行了大量的科學研究。還創造了太空長時間飛行的新紀錄。“和平”號超期服役多年後於2001年3月19日墜入太平洋。1983年，歐洲空間局發射了“空間實驗室”，它是一座隨太空梭一同飛行的空間站。
國際空間站是建造中的新一代空間站。它由美國和俄羅斯牽頭，聯合歐洲空間局11個成員國和日本、加拿大、巴西等16國共同建造運行。空間站從1994年開始分多個步驟建設安裝，至2006年全部建成。建成後空間站將長110米，寬88米，品質超過400噸，將是有史以來規模最龐大、設施最先進的人造天體。可供6至7名宇航員同時在軌工作。
1981年全世界第一顆紅外天文衛星發射升空。而對於天文學上有重要意義的事件是1990年4月25日由美國“發現”號太空梭送入太空的哈勃空間望遠鏡(HST)。它的目的是探測宇宙深空，瞭解宇宙起源和各種天體的性質和演化。HST耗資21億美元，對天文學特別是天體物理學的推動是巨大的。在空間放置望遠鏡可以擺脫大氣的干擾，沒有大氣消光的問題，同時因為沒有大氣，設計的望遠鏡可以達到衍射極限。它的鏡面不受重力的影響，不會變形，望遠鏡有極高的解析度。它是人類的千里眼，探索宇宙奧秘的利器。此後美國和歐空局又相繼發射了“錢德拉”空間X射線望遠鏡和XMM空間天文臺等。
美國的太空梭是目前世界上唯一一種用於在地面和近地軌道之間運輸人員物資，並可重複利用的航天器。它也可以在太空中進行各種科學實驗活動。
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